Природа тока в газах

В нормальных условиях все газы являются изолятора­ми. Например, размыкание любой цепи рубильником сво­дится к тому, что в эту цепь вводится прослойка воздуха. Провода высоковольтных линий передач надежно изолиро­ваны друг от друга и от земли только слоем воздуха. Опыты по электростатике (с которых начинают обычно изучение электричества) были бы невозможны, если бы воздух не об­ладал изолирующими свойствами (возникшие на разных те­лах заряды сразу бы перемешивались). Но при некоторых условиях любой газ может стать проводником. Это под­тверждается существованием молнии, электрической дуги, ламп дневного света и т. п. Отсюда следует, что в обычных условиях в газах нет сколько-нибудь заметного количества свободных зарядов, но при некоторых условиях они могут возникнуть.

Исследования привели к выводу, что свободные заря­ды в газах возникают в результате отрыва электронов от нейтральных атомов. Этот процесс называется ионизацией газа. Чтобы вырвать из атома электрон, надо передать ему определенную энергию – энергию ионизации, и еслиатом получит энергию меньше, чем энергия ионизации, то электрон из атома не вылетит. Энергию, нужную для ионизации, атом может получить либо столкнувшись с электроном, либо столкнувшись с другими атомами, либо поглощая энергию от рентгеновских или других лучей (ультрафиолетовых, гамма-лучей).

Из сказанного следует, что сделать газ проводящим можно разными способами:

а) сильно его накалить (до нескольких тысяч градусов);

б) облучить газ ультрафиолетовыми, рентгеновскими, или гамма-лучами;

в) поместить газ в сильное электрическое поле. Если в газе имеется хотя бы ничтожное количество свободных электронов, то в сильном поле они получат кинетическую энергию, достаточную для ионизации газа. Число заряженных частиц может резко возрасти, и газ станет хорошим проводником.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, А2.

Газовый разряд

Прохождение тока через газ называют газовым разря­дом. Слабый разряд возникает в воздухе даже при неболь­шой разности потенциалов между электродами, так как в воздухе всегда присутствует небольшое количество электро­нов и ионов. Эти ионы возникают под действием излучений радиоактивных примесей земной коры и под действием космических лучей, приходящих из космоса. Число возникающих ежесекундно ионов настолько ничтожно (несколь­ко пар в каждом кубическом сантиметре), что обнаружить разрядный ток обычными приборами невозможно. Такой разряд не сопровождается световыми (и звуковыми) эффек­тами. Примером является саморазряд воздушного конденса­тора. Происходит он настолько медленно, что воздух по справедливости считают хорошим изолятором.

Рассмотрим, как зависит ток разряда от приложенно­го к электродам напряжения (рис. 21.1).Вид типичной вольт-амперной характеристики газового разряда приведен на рис. 21.2. Вначале с ростом напряжения ток растет (учас­ток 0А графика), так как с ростом напряжения растет ско­рость, а стало быть, и число заряженных частиц, успевших достигнуть электродов. Затем рост тока прекращается, наступает насыщение (участок АВ). Объясняется это тем, что в промежутке между элек­тродами ежесекундно нарождается вполне определенное ко­личество свободных электронов и ионов, например, 400 пар. Ясно, что количество ежесекундно прибывающих на каждый электрод заряженных частиц не может превысить этой величины.

Рис. 21.1 Рис. 21.2

Если теперь изолировать разрядный промежуток от кос­мических лучей и других ионизаторов (но не отключать приложенного напряжения), то разряд прекратится. Разря­ды, прекращающиеся при отключении внешних ионизато­ров, называют несамостоятельными.

При дальнейшем возрастании напряжения ток снова на­чинает расти (участок ВС). Объясняется это тем, что при достаточно большой напряженности поля кинетическая энергия электронов, разгоняемых полем, становится доста­точной для ионизации атомов. Вырванные при этом из ато­мов электроны в свою очередь ускоряются полем и ионизи­руют новые атомы. Число заряженных частиц растет подоб­но лавине. Однако разряд продолжает оставаться несамо­стоятельным, так как если прекратить действие внешнего ионизатора, то лавины перестанут зарождаться.

При дальнейшем возрастании напряжения (участок правее точки С) разряд переходит в самостоятельный, т. е. продолжается и после того, как выключат внешний ионизатор. Объясняется это тем, что ионы, ударяющиеся о катод, могут выбивать из него электроны. Если удары ста­нут настолько сильными и частыми, что вместо каждого выбывшего (в результате попадания на анод или рекомби­наций) электрона из катода будет выбит новый электрон, то разряд будет сам себя поддерживать и станет самостоятельным. Характер перехода от несамостоятельного разряда к самостоятельному зависит от давления газа, от расстояния между электродами, а также от мощности источником тока.

СТОП! Решите самостоятельно: А4, А5.

Энергия ионизации

Каждый газ характеризуется своей энергией ионизации, т. е. энергией, которую необходимо сообщить атому данного газа, чтобы он ионизовался – превратился в положительный ион.

Ясно, что при ударе электрона об атом часть энергии электрона (кинетической!) должна быть передана атому в качестве энергии ионизации, т.е. из механической энергии она должна превратиться во внутреннюю.

Такое, как мы знаем из механики, возможно лишь при неупругом ударе, так как при абсолютном упругом ударе механические энергии взаимодействующих тел сохраняются. Наибольший эффект достигается при абсолютно неупругом ударе, т.е. тогда, когда после взаимодействия частицы движутся как единое целое (рис. 21.3).

Рис. 21.3

При этом практически вся кинетическая энергия электрона переходит во внутреннюю энергию: это все равно как муха налетела на слона и прилипла к нему.

Для того чтобы произошла ионизация, необходимо, чтобы кинетическая энергия электрона была не меньше энергии W ионизации атома:

. (21.1)

Читатель: А может ли атом ионизироваться, если на него налетит такой же атом?

Автор: Да. Но при этом всю свою кинетическую энергию атом, налетевший на другой неподвижный атом, передать не может (рис. 21.4).

Рис. 21.4

Из закона сохранения импульса следует, что

Мυ₀ = 2Ми Þ и = υ₀/2.

Убыль кинетической энергии составит

.

Только эта энергия может пойти на ионизацию атома.

Задача 21.1. При какой напряженности поля начнется самостоятельный разряд в воздухе, если энергия ионизации молекул равна W = 2,4×10^–18 Дж, а средняя длина свободного пробега l = 5,0 мкм? Какова скорость электронов при ударе о молекулы?

работу А = еЕl, которая пошла на увеличение его кинетической энергии А = K = еЕl. При ударе о молекулу вся эта энергия перешла в энергию ионизации:

K = еЕl = W В/м.

Скорость электрона найдем из соотношения

» 2,3×10⁶ м/с.

Ответ: В/м; » 2,3×10⁶ м/с.

СТОП! Решите самостоятельно: А7, А9, В2, В4, В5, С1.

Рекомбинация

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противопо­ложным ему процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов (или из положительных ионов и электронов) вследствие их электрического (кулоновского) притяжения. Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц. Если дейст­вие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавли­вается динамическое равновесие, при котором в единицу вре­мени восстанавливается столько же молекул, сколько их рас­падается на ионы. При этом концентрация заряженных час­тиц в ионизованном газе сохраняется неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшит­ся почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных час­тиц в газе – явление временное (пока действует ионизатор).

Задача 21.2.Число пар (электронов и ионов), возникающих в 1 см³ воздуха над сушей за 1 с (под действием радиоактив­ных примесей и космических лучей) в среднем равно a = 8,0 1/(с×см³). Определите равновесную концентрацию ионов в воздухе, считая, что число рекомбинирующих в секунду пар Dп = 0,01п, где п – концентрация пар.

a = 8,0 1/(с×см3) Dп = 0,01п 1/(с×см3)	Решение. Заметим, что 0,01 – это размерный коэффициент 0,01 1/с, так как [Dп] = = , а [п] = . Число пар, родившихся
п = ?

в 1 см³ за 1 с при динамическом равновесии, должно в среднем равняться числу рекомбинированных пар, поэтому

a = Dп Þ a = 0,01п

1/см³.

Ответ: 1/см³.

СТОП! Решите самостоятельно: А10, С3.

Задача 21.3. Какова сила тока насыщения при несамостоятельном газовом разряде, если ионизатор образует ежесекундно a = 1,0´ ´10⁹ 1/(с×см³) пар ионов и электронов в одном кубическом сантиметре, площадь каждого из двух плоских параллельных электродов S = 100 см² и расстояние между ними d = 5,0 см?

a = 1,0×109 1/(с×см3) d = 5,0 см S = 100 см2	Решение. Объем, в котором образуются заряженные частицы, V = Sd. За время Dt образуются N = aVDt = aSdDt пар ионов.	Рис. 21.5
I = ?

Электрический заряд электронов будет равен

q = eN = eaSdDt.

Если все заряженные частицы достигают электродов, то сила тока будет равна .

Подставим численные значения:

= 1,6×10^–19 Кл × 1,0×10⁹ ×100см² ×5,0 см » 8,0×10^–8 А.

Ответ: » 8,0×10^–8 А.

Читатель: Но ведь в данной задаче ионы и электроны рождались парами, т.е. всего заряженных частиц было в 2 раза больше: 2N. Наверное, и ток должен быть в 2 раза больше: I = ?

Автор: Ток – это отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени. Рассмотрим рождение пары зарядов (положительного и отрицательного) и их последовательное движение до электродов (рис. 21.6).

Рис. 21.6

Мы видим, что через любое сечение нашего проводника прошел ровно один заряд (или е): один – направо, другой – налево. Но движение отрицательного заряда в одном направлении эквивалентно движению положительного заряда в противоположном направлении, поэтому движение этих двух зарядов эквивалентно движению одного заряда от положительного электрода до отрицательного.

СТОП! Решите самостоятельно: А11, В6, С5.

Тлеющий разряд

Электроны могут приобрести энер­гию, необходимую для совершения ионизации, не только за счет увеличе­ния напряжения между электродами, но и за счет увеличения длины свободного пробега электронов. Последнее мож­но достигнуть путем разрежения газа.

Рис. 21.7

Для наблюдения разряда в разреженных газах удобно ис­пользовать стеклянную трубку длиной около полуметра с дву­мя электродами (анодом А и катодом К)и с патрубком для от­качивания воздуха (рис. 21.7). Присоединим электроды к ис­точнику постоянного тока с напряжением в несколько тысяч вольт (электрическая машина или высоковольтный выпрями­тель).

При атмосферном давлении тока в трубке нет, так как при­ложенного напряжения в несколько тысяч вольт недостаточ­но для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Но если мы начнем откачивать воздух из трубки, ток вскоре по­явится, что можно обнаружить по свечению воздуха в трубке. При давлении порядка 100 мм рт. ст. между электродами по­является разряд в виде светящейся змейки (в воздухе – мали­нового цвета, в других газах – иных цветов), соединяющей оба электрода. По мере дальнейшей откачки воздуха светя­щаяся змейка расширяется, и свечение постепенно заполняет почти всю трубку.

Рис. 21.8   Рис. 21.9

При давлении 1–2 мм рт. ст. и ниже возникает тлею­щий разряд. В тлеющем разряде отчетливо выделяются четыре области (рис. 21.8): а – катодное темное пространст­во, б – тлеющее (отрицательное) свечение, в – фарадеево темное пространство, г – положительный столб разряда. Пер­вые три области находятся вблизи катода и образуют катод­ную часть разряда.

Если впаять по длине трубки ряд платиновых проволочек, то, присоединяя электрометр к различным проволочкам (рис. 21.9), можно измерить напряжение между различными точками разряда и катодом. Откладывая на графике по оси ординат это напряжение U, а по оси абсцисс – расстояние l от рассматриваемой точки от катода, получим кривую, изобра­женную на рис. 21.8 сверху.

Из графика видно, что вблизи катода на небольшом рас­стоянии происходит резкое падение потенциала – катодное падение потенциала. Здесь электрическое поле имеет боль­шую напряженность; в остальной части трубки напряжен­ность поля невелика.

Катодное падение потенциала обусловливает эмиссию электронов из металла катода. Положительные ионы, об­разующиеся в результате ионизации электронными ударами (в тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и, проходя через область катодного падения потенци­ала, приобретают значительную энергию. Ударяясь о катод, быстрые положительные ионы выбивают из него электроны (вторичная электронная эмиссия). Эти электроны в области ка­тодного падения потенциала сильно ускоряются и при после­дующих соударениях с атомами газа ионизуют их. В результа­те опять появляются положительные ионы, которые снова, устремляясь на катод, порождают новые электроны, и т. д. Та­ким образом, основными процессами, поддерживающими раз­ряд, являются ионизация электронными ударами в объеме и вторичная электронная эмиссия на катоде. Все это происхо­дит благодаря существованию катодного падения потенциала. Следовательно, катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.

Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина ка­тодного темного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов: она увеличивается с умень­шением давления газа. В катодном темном пространстве элект­роны, следовательно, движутся практически без соударений.

Распределение концентраций положительных ионов и элект­ронов в различных частях разряда неодинаково. Так как поло­жительные ионы движутся гораздо медленнее, чем электроны, то у катода концентрация ионов значительно больше, чем кон­центрация электронов. Поэтому вблизи катода возникает силь­ный пространственный положительный заряд, который и вы­зывает появление катодного падения потенциала.

В области положительного столба концентрации положитель­ных ионов и электронов почти одинаковы, и здесь пространст­венного заряда нет. Благодаря большой концентрации электро­нов положительный столб обладает хорошей электропроводно­стью, и поэтому падение потенциала на нем мало (см. рис. 21.8). Так как в положительном столбе имеются и положительные ионы, и электроны, то здесь происходит интенсивная рекомбина­ция ионов, чем и объясняется свечение положительного столба.

Читатель: Получается, что свет возникает в результате рекомбинации – захвата положительным ионом электрона?

Автор: Да! При захвате электрона ион получает дополнительную энергию, которая идет на испускание частицы света – фотона.

СТОП! Решите самостоятельно: А3, А12, А13, В7–В11.

Искровой разряд

Рис. 21.10

При большой напряженности электрического поля между электродами (около 3×10⁶ В/м) в воздухе при атмосферном давлении возникает искровой разряд. Искровой раз­ряд, в отличие от коронного, приводит к пробою воздушного промежутка. При искровом разряде в газе возникают каналы ионизованного газа – стриммеры, имеющие вид преры­вистых ярких зигзагообразных нитей (рис. 21.10). Нити прони­зывают пространство между электродами и исчезают, сменя­ясь новыми. При этом наблюдается яркое свечение газа и выделяет­ся большое количество теплоты. Вследствие нагревания давление газа в стриммерах сильно повыша­ется. Расширяясь, газ излучает зву­ковые волны, сопровождающие разряд.

После пробоя разрядного проме­жутка напряжение на электродах сильно падает, так как в момент разряда проводимость газа вслед­ствие его ионизации резко возрас­тает. В результате, если источник напряжения маломощный, разряд прекращается. Затем напряжение снова повышается и т. д.

В образовании искрового разря­да наряду с ионизацией с помощью электронного удара большую роль играют процессы ионизации газа излучением самой искры.

В технике явлением искрового разряда пользуются, напри­мер, для зажигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, для электроискровой обработки металлов и в дру­гих случаях.

Пример гигантского искрового разряда – молния. Молнии возникают либо между двумя облаками, либо между облаком и Землей. Сила тока в молнии достигает 500 000 А, а разность потенциалов между облаком и Землей – миллиарда вольт. Отдельные разряды молнии очень кратковременны. Они длятся всего лишь около одной миллионной доли секунды.

Задача 21.4.К электростатической машине подключены соединенные параллельно лейденская банка и разрядник. Ток электростатической машины I = 1,0×10^–5 А. Емкость лейденской банки С = 1,0×10^–8 Ф. Чтобы произошел искровой разряд, машина должна работать время t = 30 с. Длительность разряда t = 1,0×10^–6 с. Определить величину тока в разряде I_р и напряжение зажигания искрового разряда U_з. Емкостью разрядника пренебречь.

I = 1,0×10–5 А С = 1,0×10–8 Ф t = 30 с t = 1,0×10–6 с	Решение. Заряд, накопленный в лейденской банке (конденсаторе) за время t = 30 с работы электростатической машины равен q = It. Следовательно, напряжение зажигания искрового разряда равно В.
Ip = ? Uз = ?

Ток в разряде А.

Такой большой ток обусловливает сильное нагревание воздуха, в результате которого возникает звук – характерное потрескивание.

Ответ: В; А.

СТОП! Решите самостоятельно: А16, В12, С4, С6.

Коронный разряд

При атмосферном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (около остриев, проводов линий высокого напряжения и т. д.), наблюдается разряд, светящаяся область которого часто напоминает корону. По­этому его и назвали коронным.

Плотность заряда на поверхности проводника тем больше, чем больше его кривизна. На острие плотность заряда максимальна. Поэтому возле острия возникает сильное электрическое поле. Когда его напряженность превысит 3×10⁶ В/м, наступает разряд. При такой большой напряженности ионизация посред­ством электронного удара происходит при атмосферном давле­нии. По мере удаления от поверхности проводника напряжен­ность быстро убывает. Поэтому ионизация и связанное с ней све­чение газа наблюдается в ограниченной области пространства.

При повышенном напряжении коронный заряд на острие имеет вид светящейся кисти – системы тонких светящихся линий, которые выходят из острия, имеют изгибы и изломы, изменяющиеся с течением времени. Такая разновидность ко­ронного разряда называется кистевым разрядом.

Рис. 21.11

Заряженное грозовое облако индуцирует на поверхности Зем­ли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Поэтому пе­ред грозой или во время грозы нередко на остриях и острых уг­лах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточ­ки конусы света. С давних времен это свечение называют огнями святого Эльма (рис. 22.11).

СТОП! Решите самостоятельно: А14, А15, В13, В14.

Дуговой разряд

Электрический разряд в воздухе при атмосферном давле­нии можно получить и при небольшой разности потенциалов между электродами. Если в качестве электродов взять два угольных стержня[1], привести их в соприкосновение и прило­жить напряжение 30–50 В, то по получившейся замкнутой цепи пойдет сильный ток. Так как в месте соприкосновения электродов сопротивление велико, то в соответствии с зако­ном Джоуля–Ленца здесь выделяется наибольшее количест­во теплоты и концы угольных стержней раскаляются. Темпе­ратура повышается настолько, что начинается термоэлект­ронная эмиссия. Вследствие этого при раздвижении угольных электродов между ними начинается самостоятельный разряд. Между углями возникает столб ярко светящегося газа – электрическая дуга (рис. 22.12).

Рис. 21.12

Проводимость газа в этом случае значительна и при атмос­ферном давлении, так как число электронов, испускаемых от­рицательным электродом, очень велико. Сила тока в неболь­шой дуге достигает нескольких ампер, а в больших дугах – нескольких сотен ампер при разности потенциалов всего лишь порядка 50 В.

Электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. рус­ским академиком В. В. Петровым (1761–1834).

Высокая температура катода при горении дуги поддержи­вается бомбардирующими катод положительными ионами. Газ в самой дуге также сильно разогревается из-за соударений молекул с ионами и электронами, ускоряемыми полем. Поэто­му происходит термическая ионизация газа.

СТОП! Решите самостоятельно: В15, В16.